Che cos’è un System on a Chip (SoC)?

Al giorno d’oggi si parla così tanto dei chip e degli smartphone Apple M1 che puoi sentire parlare dei design SoC (system-on-a-chip) che usano. Ma cosa sono i SoC e in che cosa differiscono da processori e microprocessori? Spiegheremo.

System on a Chip: una breve definizione

Un sistema su un chip è un circuito integrato che combina molti elementi di un sistema informatico in un unico chip. Un SoC include sempre una CPU, ma può includere anche memoria di sistema, controller periferici (per USB, storage) e periferiche più avanzate come unità di elaborazione grafica (GPU), circuiti di rete neurale specializzati, radio (per Bluetooth o Wi-Fi) . Fi) e molto altro.

Un sistema su un chip è diverso da un PC tradizionale con un chip CPU e chip controller, GPU e RAM separati che possono essere sostituiti, aggiornati o sostituiti secondo necessità. L’uso dei SoC rende i computer più piccoli, più veloci, più economici e meno energivori.

Una breve storia dell’integrazione elettronica

Dall’inizio del 20° secolo, lo sviluppo dell’elettronica ha seguito un percorso prevedibile rispetto a due grandi tendenze: la miniaturizzazione e l’integrazione. La miniaturizzazione ha ridotto nel tempo i singoli componenti elettronici come condensatori , resistori e transistor . E con l’invenzione del circuito integrato (IC) nel 1958, l’integrazione combinava diversi componenti elettronici in un unico pezzo di silicio, consentendo una miniaturizzazione ancora maggiore.

Poiché questa miniaturizzazione dell’elettronica ha avuto luogo nel corso del 20° secolo, anche i computer sono diventati più piccoli. I primi computer digitali erano costituiti da grandi componenti discreti come relè o tubi a vuoto. Successivamente hanno utilizzato transistor discreti, quindi gruppi di circuiti integrati. Nel 1972, Intel ha combinato gli elementi di un’unità di elaborazione centrale (CPU) di un computer in un unico circuito integrato ed è nato il primo microprocessore commerciale a chip singolo. Con il microprocessore, i computer possono essere più piccoli e consumare meno energia che mai.

Inserisci il microcontrollore e il sistema su un chip

Nel 1974, Texas Instruments ha rilasciato il primo microcontrollore , che è un tipo di microprocessore con memoria principale e dispositivi I/O integrati con la CPU su un unico chip. Invece di aver bisogno di circuiti integrati separati per CPU, RAM, controller di memoria, controller della porta seriale, ecc., tutto può essere inserito in un unico chip per piccole applicazioni embedded come calcolatrici tascabili e giocattoli elettronici.

Per la maggior parte dell’era dei PC, l’uso di un microprocessore con chip controller, RAM e hardware grafico separati ha prodotto personal computer più flessibili e potenti. I microcontrollori erano generalmente troppo limitati per essere adatti a compiti di elaborazione generali, quindi il metodo tradizionale di utilizzo di microprocessori con chip di supporto discreti è rimasto.

Di recente, la spinta verso smartphone e tablet ha spinto l’integrazione anche oltre i microprocessori o i microcontrollori. Il risultato è un sistema su chip in grado di racchiudere molti elementi di un moderno sistema informatico (GPU, modem cellulare, acceleratori AI, controller USB, interfaccia di rete) insieme a un processore e memoria di sistema in un unico pacchetto. Questo è un altro passo nella continua integrazione e miniaturizzazione dell’elettronica che probabilmente continuerà in futuro.

Perché usare un sistema su un chip?

Posizionare più elementi del sistema informatico su un singolo die riduce i requisiti di alimentazione, abbassa i costi, migliora le prestazioni e riduce le dimensioni fisiche. Tutto questo aiuta molto nella creazione di smartphone, tablet e laptop ancora più potenti che consumano meno batteria.

Ad esempio, Apple è orgogliosa di realizzare dispositivi informatici potenti e compatti. Negli ultimi 14 anni, Apple ha utilizzato i SoC nelle sue linee di iPhone e iPad. All’inizio utilizzavano SoC basati su ARM sviluppati da altre aziende. Nel 2010, Apple ha introdotto il SoC A4 , che è stato il primo SoC per iPhone progettato da Apple. Da allora, Apple ha migliorato con grande successo i suoi chip della serie A. I SoC aiutano l’iPhone a consumare meno energia pur rimanendo compatto e aumentando costantemente le sue capacità. Anche altri produttori di smartphone utilizzano SoC.

Fino a poco tempo, i SoC apparivano raramente nei computer desktop. Nel 2020, Apple ha introdotto l’M1, il suo primo SoC per desktop e laptop Mac. L’M1 combina CPU, GPU, memoria e altro su un unico die di silicio. Nel 2021, Apple ha migliorato l’M1 con il rilascio di M1 Pro e M1 Max. Tutti e tre questi chip offrono prestazioni Mac impressionanti consumando meno energia rispetto alla tradizionale architettura a microprocessore discreto presente nella maggior parte dei PC.

Il Raspberry Pi 4, un computer popolare per gli hobbisti, utilizza anche un sistema su un chip ( Broadcom BCM2711 ) per le sue funzioni principali, che riduce il costo del dispositivo (circa $ 35) e fornisce energia sufficiente. I SoC hanno un grande futuro poiché continuano la tradizione di integrazione e miniaturizzazione dell’elettronica iniziata oltre un secolo fa. Tempi emozionanti in vista!